基于虛擬儀器的分布式速度檢測系統設計目錄1引言.11.1速度檢測系統研究的背景和意義.11.2虛擬儀器技術介紹.21.3虛擬儀器技術在速度檢測系統設計中的應用.22系統總體設計.32.1分布式速度檢測系統的基本原理.42.2系統軟硬件設計方法.42.3系統數據采集方案.42.4操作面板的設計.52.5系統抗干擾設計.53分布式速度檢測系統的硬件結構.53.1計算機的選擇.73.2數據采集系統.73.2.1傳感器裝置.83.2.2信號處理電路.93.2.3信息傳輸電路.103.3到位檢測及傳感器控制電路.104分布式速度檢測系統的軟件設計.114.1速度檢測系統檢測流程.114.2系統軟件結構.134.2.1到位信號檢測模塊.134.2.2數據采集模塊.144.2.3數據計算處理模塊.144.2.4數據存儲模塊.144.2.5網絡通信模塊.155系統調試.166結束語.17參考文獻.18附錄1系統主程序框圖.19附錄2數據采集模塊程序框圖.20附錄3數據計算處理與數據存儲模塊程序框圖.21附錄4網絡通信模塊程序框圖.22致謝.241摘要：本文提出了一種基于虛擬儀器的分布式速度檢測系統方案，實現了對較大范圍內物體運動速度的實時跟蹤檢測。本系統的設計思路主要是通過記錄物體在一段較短距離內的運動時間來計算出物體在該段路程中的平均速度，并把這個平均速度近似看做物體運動的即時速度。將若干個這樣的短距離中的平均速度描點、連線，繪制出速度曲線，并以此來表現出物體的運動情況。針對速度檢測信息量大的特點，本系統采用虛擬儀器技術建立一個數據存儲、處理和顯示平臺，將速度數據實時顯示在顯示屏幕上，達到實時監測的目的，同時還可以遠離現場進行遠程監控。關鍵字：虛擬儀器；LabVIEW；速度檢測；分布式系統DistributedSpeedDetectionSystemBasedonVirtualInstrumentAbstract:Adesignofdistributedspeeddetectionsystembasedonvirtualinstrument,whichisabletodetectanobjectsspeedinacomparativelywidescale,iscarriedoutinthispaper.Byrecordingmovingtimeoftheobjectinashortdistance,theaveragevelocity,whichisregardedasaninstantvelocityoftheobject,iseasytobecalculated.Withmanyofthoseaveragevelocities,itisabletodrawavelocitycurvetoshowmovementoftheobject.Thatishowthesystemisdesigned.Becauseofthegreatdealofinformationduringspeeddetection,virtualinstrumenttechnologyisusedinthissystemtocreateaplatformtostore,processanddisplaydata.Thereal-timespeedoftheobjectisshowninthescreentomakeareal-timemonitoring.Itisalsocapableofremotedetection,beingfarawayfromindustrialfield.Keywords:VirtualInstrument；Labview；SpeedDetection；Distributedsystem1引言1.1速度檢測系統研究的背景和意義隨著機械化大生產的發展，對運動物體的速度進行檢測始終是工業生產領域的一個重要話題。特別是隨著流水線工藝在工業生產中的廣泛應用，在較大范圍內對移動工件進行實時速度檢測逐漸成為了生產過程中必不可少的一個環節。目前，國內外對物體運動速度的檢測大致存在兩種方法：一種是測量物體的平均速度，如公路運輸系統中通過相鄰站點的IC卡確定車輛經過兩個站點之間所用時間類求得平均速度1；另一種是利用測量物體的實時速度，也稱多普勒雷達測速,即利用移動物體的多普勒效應實現測速。這兩種方法在日常生活的方方面面都有著非常廣泛的應用。但是，二者都存在著一定的2不足之處。一般的平均速度法只能在短距離內對物體的平均速度進行測量，測量精度較低，不能反映物體長時間的運動情況；而且這樣的粗放式測量只能就近實現速度檢測，不適合遠程分布式監控。與之相反，多普勒雷達測速具有相當高的測量精度，而且可以實現大規模遠程監控，在工業上，尤其是在軍事工業上，具有極高的價值。只不過這種方法系統復雜而且成本太高，不適合一般的工業應用。在這樣的形勢下，一種簡單易用、功能較全面、價格相對低廉的速度檢測系統勢必有著廣泛的市場需求。使用虛擬儀器技術就可以設計出這樣的系統。1.2虛擬儀器技術介紹虛擬儀器是指在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶自己設計定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實現的一種計算機儀器系統。虛擬儀器突破了傳統電子儀器以硬件為主體的模式。實際上，測量時使用者是在操作具有測試軟件的計算機，猶如操作一臺虛擬的電子儀器，虛擬儀器因此得名。“軟件即儀器”(SoftwareisInstrument)，最本質地刻畫出虛擬儀器的特征。虛擬儀器是現代儀器技術和計算機技術相結合的產物，它比傳統的電子儀器更為通用，具有數字化、模塊化、虛擬化、網絡化的特點。通過采用虛擬儀器技術，大大突破了傳統儀器在數據采集、顯示、傳送、處理等方面的限制，使得用戶可以方便地對被控對象進行遠程監控，同時還能夠節約使用傳統儀器設備的成本2。虛擬儀器中“虛擬”的含義表現在兩個方面：一是指虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統儀器面板上的各種“控件”所完成的功能是相同的，使用鼠標或鍵盤進行操作就如同使用一臺實際的儀器；二是指虛擬儀器的測控功能是通過軟件編程實現的2。虛擬儀器技術代表著一個重要的轉變，因為它從傳統的以硬件為中心的儀器轉變到以軟件為中心的儀器系統。它利用了普及的臺式機和工作站的計算能力、生產效率、顯示方法以及方便的連接能力。雖然PC機和集成電路技術在過去的20年中經歷了巨大的發展，但軟件才是虛擬儀器這一強大技術中的最大優勢。軟件的靈活性與強大的模塊化硬件方案相結合，使得虛擬儀器技術具有強大的用戶自定義和擴展功能，用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。同時，由于虛擬儀器本質上是基于計算機的，可充分發揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創造出功能更強的儀器3。1.3虛擬儀器技術在速度檢測系統設計中的應用在基于虛擬儀器的系統中，傳統儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，這使得3虛擬儀器既可以作為測試儀器獨立使用，又可以通過高速計算機網絡構成復雜的分布式測試系統，進行遠程測試、監控與故障診斷4。此外，用基于軟件體系結構的虛擬儀器代替基于硬件體系結構的傳統儀器，還可以大大節約儀器購買和維護費用。這就有效地克服了前述兩種測速方法存在的缺陷，便于在工業生產中推廣應用。本系統設計側重于虛擬儀器軟件結構的設計。通過虛擬儀器技術中最熱門的LabVIEW軟件平臺設計出系統的軟件結構，即使用LabVIEW中的控件實現虛擬儀器的測控功能，然后通過仿真信號進行虛擬儀器系統的輸入輸出實驗。實驗結果表明使用虛擬儀器技術進行系統設計是完全可行的。2系統總體設計基于虛擬儀器技術的系統主要由三個部分組成。首先，是安裝有強大應用軟件的計算機平臺或工作站；其次，是具有高性價比的硬件部分，比如，插入式板卡，或者是模塊化儀器；第三部分檢測單元，或者是傳感器。這三部分協同工作，構成了虛擬儀器框架，不僅完成了傳統儀器的功能，并且具有強大的擴展功能3。基于虛擬儀器技術的分布式速度檢測系統的總體結構框圖如圖1所示。圖1系統總體框架圖Fig.1Overallstructureofthesystem圖1中，上位機安裝有應用軟件作為計算機平臺或工作站，若干個單片機（MCU）組成的信號處理電路構成了系統數據采集電路的核心部分，傳感器則是直接采集現場信號的裝置。這三部分共同組成了基于虛擬儀器技術的系統。根據系統需求分析，列出技術要求如下表所示。表1系統技術要求Table.1Technicalrequirementofthesystem系統總線速度報警值采樣速率軟件平臺工作環境4設定(m/s)（點/s）（）RS232總線a10LabVIEW8.5-2080正常工作注：表中速度報警值a可以由用戶依據實際需要自行設定上表中，速度報警值指的是系統允許的物體運動的最大速度，采樣速率與單片機輸入端口的刷新頻率成正比，與系統的檢測精度密切相關。2.1分布式速度檢測系統的基本原理多普勒方式測速應用廣泛，但技術較復雜，成本較高。而遠距離測平均速度又使得所測速度過于模糊，限制了它的應用。因此在設計中另辟蹊徑，以短距離內的平均速度近似作單點速度。即利用間隔一定距離s的2套紅外線激光傳感器分別給單片機產生中斷信號，由單片機對2次中斷的時間差t進行計時，根據公式v=s/t即可獲取速度值1。兩套傳感器之間的距離s可以預先設定，而目前單片機的計時精度相當高，足以保證速度數據有很高的精確度。2.2系統軟硬件設計方法虛擬儀器系統是由硬件和軟件共同組成的。因此，在虛擬儀器系統的設計過程中就需要綜合考慮系統設計的靈活性、成本以及工作速度。在速度檢測系統設計中，硬件部分主要是現場的傳感器以及信號處理電路，負責信號的采集、傳輸以及處理功能；而軟件部分主要是上位機上的LabVIEW軟件，負責系統的核心檢測功能以及遠程監控功能。由于本系統的設計目標主要是為了進行實時速度檢測，功能要求不高，所以在設計過程中更多考慮到上位機的軟件需求。整個系統設計正是基于這一設計理念。2.3系統數據采集方案對于虛擬儀器系統中的數據采集，確定I/O通道方案是總體設計中的重要內容。選擇I/O通道方案的實質是選擇滿足系統要求的芯片以及相應的電路結構形式2。在本系統中，輸入信號采用紅外激光傳感器的開關信號。紅外激光傳感器的激光發射接收模塊由紅外激光發射器件和探測器組成，它們分別被安放在待測物體兩側5。當沒有物體經過時探測器中有恒定的信號，不觸發單片機中斷。當有物體阻斷其光路時產生有效信號進入單片機觸發中斷。這樣的數字量輸入信號不需要進行濾波即可以直接到達信號處理電路進行處理。另外，由于計算機的數據通道是串行操作，所有的通道都需要使用同樣的數據傳輸5速率，并且按照預先設定的順序工作。2.4操作面板的設計由于虛擬儀器強調軟件的應用，在虛擬儀器系統中，需要設計一個用戶友好型的操作界面，供操作人員進行人機對話或相關控制操作6。考慮到本系統的實際需要，操作面板的設計如圖2所示。圖2操作面板的設計Fig.2Designoftheoperationpanel圖2中，儀表盤和波形圖位于屏幕中央，方便操作員監視物體速度變化情況。報警指示燈放在左上方，到位檢測指示燈則位于報警指示燈之下，便于直接查看系統情況。另外，工件信息在左下方，參數設置在右上方，同樣便于操作人員進行操作。2.5系統抗干擾設計一個合格的虛擬儀器系統應該具有較強的抗干擾能力。分布式速度檢測系統設計除了考慮到系統性能之外，也需要考慮在工業現場經受一定程度干擾信號的能力。在本系統中，干擾主要來自現場的紅外激光傳感器檢測時遇到的雜散光干擾，以及信號傳輸處理過程中的電信號干擾。當然，抗干擾設計應貫穿于整個系統設計的全過程，下面的各項設計都在不同程度上考慮到系統的抗干擾能力。3分布式速度檢測系統的硬件結構硬件是虛擬儀器工作的基礎，主要完成被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出等工作，由計算機和I/O接口設備組成。計算機一般為一臺PC或工作站，是硬件6平臺的核心，它包括微處理器、存儲器和輸入/輸出設備等，用來提供實時高效的數據處理工作。I/O接口設備即數據采集調理部件，包括PC總線的數據采集（DataAcquisition，DAQ卡）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線模塊、LXI總線儀器模塊、串口總線儀器和現場總線儀器模塊等標準總線儀器，主要完成被測信號的采集、放大和模數轉換2。虛擬儀器系統中實現檢測的參數多種多樣，檢測的方法也不盡相同，因此不同的系統的具體結構也會千差萬別。速度檢測系統硬件結構如圖3所示。圖3系統硬件結構圖Fig.3Hardwarestructureofthesystem分布式速度檢測系統可分為傳感器電路、信號傳輸及處理電路和計算機系統三部分。實際試驗平臺包括N個（50N100）紅外激光傳感器，1個到位檢測傳感器，N個單片機，傳感器控制電路和微型計算機系統。檢測系統的硬件設計方法是：在計算機系統中，通過RS232串行總線接口完成數據采集功能；通過I/O接口電路對物體到位信號進行檢測并控制傳感器電路；使用LabVIEW圖形化編程語言開發測控程序。檢測系統的工作過程是：由一個紅外激光傳感器檢測物體的到位信號并通過I/O接口電路傳送給計算機，計算機檢測到到位信號之后，再通過I/O接口電路發送指令打開傳感器檢測電路開關，紅外激光傳感器開始工作。N個紅外激光傳感器依次將檢測到的數字信號送到信號處理電路，然后經由信號傳輸電路送入計算機系統。計算機系統對接收到的信息進行計算處理后將最終結果顯示在顯示器上。另外，可以通過計算機對速度報警值進行設定，一旦超過此值，系統將發出報警信號。數據采集系統7檢測系統主要硬件單元的設計說明如下。3.1計算機的選擇虛擬儀器系統的計算機既可以是工控計算機，也可以是普通的個人計算機。在本系統設計中，由于對系統硬件要求不高，只需要普通的PC機就足以應付檢測任務了。實際系統選擇的PC機基本參數如下：操作系統：MicrosoftWindowsXPProfessionalCPU類型：DualCoreAMDAthlon64X2,1908MHz系統內存：1024MB通訊端口：通訊端口(COM1)顯示器：即插即用監視器3.2數據采集系統在計算機廣泛應用的今天，數據采集的重要性是不言而喻的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。隨著計算機和總線技術的發展，基于PC的數據采集（DataAcquisition，DAQ）板卡產品得到了廣泛應用4。許多應用使用插入式設備采集數據并把數據直接傳送到計算機內存中，而在一些其他應用中數據采集硬件和PC分離，通過并行或串行接口和PC相連。具體到以PC為基礎的虛擬儀器系統中，插入式數據采集卡是虛擬儀器中常用的接口形式之一，其功能是將現場數據采集到計算機中，或將計算機中數據輸出給被控對象。其典型結構如圖4所示。圖4基于數據采集卡的虛擬儀器的典型結構Fig.4Typicalstructureofvirtualinstrumentbasedondataacquisitionunit這種系統采用PC本身的PCI或ISA總線，將數據采集卡插入到計算機的PCI或ISA總線插槽中，并與專用的軟件相結合，完成測試任務。它充分利用了微型計算機的軟、硬件資源，更好地發揮了微型計算機的作用，大幅度地降低了儀器